CN107200078B - 一种连杆式多足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种连杆式多足机器人，该机器人结构基于四足哺乳动物的仿生特征，包括四组对称分布在机架两侧的足式模块和三段式结构的机架模块，其特征在于：所述足式采用一种含有移动副的多连杆机构，利用交流永磁同步电机与谐波减速器相连接的传动方式驱动足式单元中的髋关节、大腿关节和膝关节。模块化的足式设计思路可实现足部和机架快速装拆，达到不同配置方式，实现一机多型。本发明采用的多连杆缩放式足部架构，实现大腿关节和小腿关节的力和运动的比例放大，降低了电机输出力矩需求。腿部连杆结构兼具高刚度、大承载力的特点。腿部肢体具有驱动容错能力，提升了整体结构的刚性和稳定性，使得机器人具有更强的复杂地形适应能力。

Description

一种连杆式多足机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种连杆式多足机器人。

背景技术

多足哺乳动物因其独特的身体结构具备高动力性、高稳定性、高适应性的运动能力。借鉴仿生学研发的具备仿生特征的多足机器人，既可实现动态步行，又能高速移动。现有的轮式和履带式等传统移动机器人移动时需与地面始终保持接触，但足式机器人可利用孤立的地面支撑而不是连续支撑，并在复杂的地形中选择最优的支撑点，实现更强的机动性和适应性。若将辅助执行工具与多足机器人组成的运动平台相结合，可代替人去完成危险环境下的任务，故具备广阔的应用前景。

目前，多足机器人的足式机构主要包括关节串联机构和连杆式机构。前者结构紧凑，足部末段运动空间较大、灵活性好，但驱动单元布置在关节处，增加了腿部整体重量，降低了承载能力。连杆式机构具有多种演化形式，例如，采用曲柄连杆机构组成的封闭式四连杆结构(专利申请号CN 104890759 A)。该结构具有较好的刚性和承载能力，但需具备两个以上的线性驱动单元，连杆传动距离制约了足端的运动空间。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，提出一种连杆式多足机器人，该机器人足单元采用缩放式多连杆机构，用滑块替换四杆机构中一根连杆，设计一种含有移动副的多连杆机构，其结构具备良好的比例特性，可将原动件的小位移在足端按比例放大，在保证承载能力的同时拥有充足的运动空间。

为达到上述目的，本发明采用的实施方案为：

一种连杆式多足机器人，包括左前足单元，左后足单元，右前足单元，右后足单元和机架单元，其中机架单元包括底板、连接杆、连接件。底板包括后底板、中底板、前底板三种底板组件，连接件分别安装在底板的下表面，连接杆安装在连接件通孔中，使多个底板组件串联并与其共同构成整体的机架单元。机架单元中的各底板组件上表面安装侧摆机架和轴承座。四个足单元通过连接架和连接销与安装在底板上的侧摆机架和轴承座连接，四个足单元呈两排并列分布在机架单元的两侧。

四个足单元的结构原理均相同，分为驱动机构和传动机构。驱动机构包括髋关节、大腿关节、小腿关节的驱动部分，三个关节之间用连接销的方式串联连接，并保证各连接销的轴线处于同一条直线上，连接部位采用紧定螺钉限位，实现了髋关节对大腿关节和小腿关节的同时驱动。每个关节的驱动结构均相同，包括电机机架、交流永磁同步电机、电机减速器连接轴、谐波减速器、减速器输出轴。其中交流永磁同步电机与电机减速器连接轴安装在电机机架内部，电机减速器连接轴安装于电机的前端，另一端与谐波减速器连接，谐波减速器的配置方式为刚轮输入，柔轮输出，其输出端与减速器输出轴固连，将动力传递至传动机构。传动结构包括大腿关节连杆、小腿关节连杆以及含有移动副的闭环多杆机构。该闭环多杆机构包括导轨、滑块、导轨连接件A、导轨连接件B、末端连杆、膝关节连杆A和膝关节连杆B。其中大腿关节连杆和小腿关节连杆分别与谐波减速器的输出轴相连，而大腿关节连杆另一端与闭环多杆机构中的导轨连接件A相连，实现大腿关节的运动，小腿关节连杆另一端与闭环多杆机构中的滑块连接，实现小腿关节的运动。

本发明与现有的连杆式足式结构多足机器人相比，具备以下显著特点：

1.将含有移动副的闭环多杆机构应用到足式结构中，实现大腿关节和小腿关节的力和运动的比例放大，降低对电机输出力矩的要求。通过引入滑块的平移运动，增大了传动距离，另一方面，主驱动连杆尺寸根据实际需求更改，保证足部结构的紧凑性和优良的传动性能。

2.腿部连杆结构兼具高刚度、大承载力的特点，以及快速灵活的运动特点。为上述互相制约的性能需求，提供了一种合理有效的解决新方案。

3.腿部肢体具有驱动容错能力。髋关节由双电机带动连杆实现运动，在其中单一电机损坏、自锁等状况下，腿部肢体依然具有主动、可控的运动能力，提升了机器人的实用性。

4.髋关节、大腿关节、小腿关节的驱动单元共轴线安装在机架上，使整体的转动惯量都集中在髋关节处，降低了腿部的整体重量，而具备良好的动态相应能力。

5.采用交流永磁同步电机和谐波减速器作为驱动动力，提高了承载能力和整机刚性，并减轻了重量。

在实际应用中，本发明具备以下显著特点：

1.足单元的驱动结构和传动结构的装拆方便快捷，通过改变传动结构与驱动结构的组合形式实现多种多足运动构型，提升了机器人的运动功能。

2.仿中型犬的身体尺寸、纯刚性的身体结构及高转矩容量的驱动能力，具有复杂环境下的运输作业能力。

附图说明

图1是发明的连杆式多足机器人的整体结构示意图。

图2是发明的连杆式多足机器人整体机架单元的结构示意图。

图3是发明的连杆式多足机器人去除足单元的结构示意图。

图4是本发明右前足单元运动关节示意图。

图5是本发明右前足单元驱动结构示意图。

图6是本发明右前足单元传动结构示意图。

图7是本发明右前足单元运动关节装配图。

图8是本发明右前足单元快速装拆示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2所示，该机器人包括左前足单元1，左后足单元2，右前足单元3，右后足单元4，和机架单元5，其中机架单元5包括前底板513、中底板512、后底板511、第一连接杆521、第二连接杆522、第三连接杆523、第四连接杆524、第五连接杆525、第六连接杆526、第一连接件5301、第二连接件5302、第三连接件5303、第四连接件5304、第五连接件5305、第六连接件5306、第七连接件5307、第八连接件5308、第九连接件5309、第十连接件5310、第十一连接件5311、第十二连接件5312、第十三连接件5313、第十四连接件5314、第十五连接件5315、第十六连接件5316、第十七连接件5317、第十八连接件5318。

如图2所示，所述后底板511为炭纤维板成型件，第一连接件5301、第四连接件5304、第七连接件5307、第八连接件5308安装在后底板511的下表面且对称分布在其中心线外侧，第一连接杆521的两端分别与第一连接件5301和第七连接件5307固连，第四连接杆524的两端分别与第七连接件5307和第八连接件5308固连，第二连接件5302、第三连接件5303、第五连接件5305、第六连接件5306安装在后底板511的下表面且对称分布在其中心线内侧。

所述中底板512为炭纤维板成型件，第九连接件5309、第十连接件5310、第十五连接件5315、第十六连接件5316安装在中底板512的下表面且对称分布在其中心线外侧，第五连接杆525的两端分别与第九连接件5309和第十五连接件5315固连，第六连接杆526的两端分别与第十连接件5310和第十六连接件5316固连，第十一连接件5311、第十二连接件5312、第十三连接件5313、第十四连接件5314安装在中底板512的下表面且对称分布在轴中心线内侧。

所述前底板513为炭纤维板成型件，第十七连接件5317、第十八连接件5318对称安装在下表面且对称分布在其中心线两侧。第二连接杆522与第二连接件5302、第五连接件5305、第十一连接件5311、第十三连接件5313、第十七连接件5317固连，第三连接杆523与第三连接件5303、第六连接件5306、第十二连接件5312、第十四连接件5314、第十八连接件5318固连。

如图3所示，右前足单元3安装在机架单元的中底板512和前底板513上表面，利用轴承座A61和轴承座B62与中底板512固连，利用右前侧摆机架71与前底板513固连。右后足单元4安装在机架单元的后底板511和中底板512上表面，利用轴承座C63和轴承座D64与机架单元的后底板511固连，利用右后侧摆机架72与中底板512固连。左前足单元1安装在机架单元的中底板512和前底板513上表面，利用轴承座E65和轴承座F66与机架单元的中底板512固连，利用左前侧摆机架73与前底板513固连。左后足单元2安装在机架单元的后底板511和中底板512上表面，利用轴承座G67和轴承座H68与机架单元的后底板511固连，利用左后侧摆机架74与中底板512固连。

如图4、图5、图6、图7所示，本发明中四个足单元的结构原理均相同。以右前足单元3为例，所述髋关节、大腿关节和小腿关节的驱动结构均相同，包括电机机架、交流永磁同步电机、电机减速器连接轴、谐波减速器、减速器输出轴、3根连接销；所述电机机架包括机架301、机架302、机架303；所述交流永磁同步电机包括电机304、电机305、电机306；所述电机减速器连接轴包括减速器连接轴307、减速器连接轴308、减速器连接轴309；所述谐波减速器包括谐波减速器310、谐波减速器311、谐波减速器312；所述减速器输出轴包括减速器输出轴313、减速器输出轴314、减速器输出轴315；所述连接销包括连接销A316、连接销B317、连接销C318。传动结构零件包括5根连接轴，2个导轨连接件、导轨326、滑块327、连杆328、连杆329、膝关节连杆A330、膝关节连杆B331、末端连杆332。7个转动关节、移动关节H48。所述连接轴包括连接轴A319、连接轴B320、连接轴C321、连接轴D322、连接轴E323；所述导轨连接件包括导轨连接件A324、导轨连接件B325；所述转动关节包括关节A41、关节B42、关节C43、关节D44、关节E45、关节F46、关节G47。在本发明中，未说明配合方式的转动关节均采用自润滑轴承333，配合成为移动关节的构件均采用直线轴承334。为了保证轴承内部的连接轴连接的牢固性，连接轴的一侧开螺纹孔，用螺钉将轴承端盖335与连接轴紧密配合。

如图5所示，右前足单元连接关系分为动力驱动连接和传动件连接。髋关节动力驱动连接关系为：机架301与安装在后底板511上的左前侧摆机架73固连，电机304与电机减速器连接轴307安装在机架301内部，电机减速器连接轴307安装于电机304的前端，另一端与谐波减速器310连接，谐波减速器的配置方式为刚轮输入，柔轮输出，其输出端与减速器输出轴313固连。其中大腿关节和小腿关节与髋关节的驱动连接关系相同。三个关节之间用连接销的方式串联连接，并保证各连接销的轴线处于同一条直线上，连接部位采用紧定螺钉限位。其中连接销A316的两端分别与减速器输出轴313和机架302连接，且连接销A安装在轴承座E65上。连接销B217的两端分别与机架302和机架303连接。连接销C318一端与机架303连接，另一端与安装在中底板512上的轴承座F66连接。实现了髋关节对大腿关节和小腿关节的同时驱动。

如图6所示，传动件的连接关系为：连杆328的一端与减速器输出轴314连接形成转动关节A41，采用键连接传动方式，另一端与导轨连接件A324连接形成转动关节B42，导轨326的两端分别与导轨连接件A324和导轨连接件B325相连，连接部位采用紧定螺钉限位，导轨326上安装了滑块327，滑块327中间部位安装直线轴承，与导轨组成移动关节H48，滑块327上端与连杆329连接组成转动关节C43，连杆329的另一端与减速器输出轴315组成转动关节D44，采用键连接传动方式，滑块327下端与膝关节连杆330A上端连接形成转动关节E45。末端连杆332中端开设槽孔，膝关节连杆B331安装在槽孔内部并与膝关节连杆A330连接，形成转动关节F46。末端连杆332末端与导轨连接件B325连接组成转动关节G47。

在本发明中，左前侧摆机架73、电机304、电机减速器连接轴307、谐波减速器310、减速器输出轴313的传动关系模拟足式动物的髋关节运动。

进一步的，连杆328驱动导轨连接件A324、导轨326、滑块327、导轨连接件B325、膝关节连杆A330、膝关节连杆B331、末端连杆332组成的闭环多连杆机构，该机构的传动关系用来模拟足式动物的大腿关节运动。

进一步的，连杆329驱动导轨连接件A324、导轨326、滑块327、导轨连接件B325、膝关节连杆A330、膝关节连杆B331、末端连杆332组成的闭环多连杆机构，该机构的传动关系用来模拟足式动物的小腿关节运动。

进一步的，为了实现该四组机器人的整体运动，其控制思路为：让四个足单元按照一定的规律分别完成侧摆、迈腿、落地等动作。以右前足单元运动为例，电机304转动可使右前足单元3完成侧向摆动，连杆328经电机305驱动后带动导轨326完成伸缩运动，即模拟大腿迈腿或者收腿的仿生特征。电机306转动可带动连杆329，连杆329运动带动滑块327在导轨326做往复直线运动，进而拉动膝关节连杆A330，膝关节连杆A330的运动拉动固定在末端连杆332上的膝关节连杆B331，从而使末端连杆332完成屈伸运动，即模拟小腿蹬地和落地的仿生特征，进而使机器人向前运动。

实施例二

如图8中a图所示，只需松动轴承端盖的限位螺钉，大腿关节连杆和小腿关节连杆分别与大腿关节驱动结构中的减速器输出轴和小腿关节驱动结构中的减速器输出轴分离，可实现右前足单元中的驱动结构和传动结构的迅速分离。

如图8中b图所示，装配时将右前足单元3的传动结构沿水平面翻转，可实现由肘关节到膝关节的变形。

如图8中c图所示，将大腿关节连杆和小腿关节连杆分别与大腿关节驱动结构中的减速器输出轴和小腿关节驱动结构中的减速器输出轴连接，并用紧定螺钉将轴承端盖与减速器输出轴连接，实现右后足单元4中传动结构与驱动结构的安装。

如图8中d图所示，该图为前肘后膝式关节配置图，通过上述的安装方法，可快速实现全膝式、全肘式、前膝后肘式、前肘后膝式之间的切换。满足不同环境下的使用要求。

以上实施例仅是说明性的，如实施例中各底板为炭纤维板成型件，也可采用金属板材替换。实施例中的连杆式足式机构除适用于四足机器人外，同样符合六足、八足等多足机器人的构型。本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

Claims (4)

1.一种连杆式多足机器人，包括左前足单元(1)，左后足单元(2)，右前足单元(3)，右后足单元(4)和机架单元(5)；上述四个足单元通过连接架和连接销，与安装在底板(511、512、513)上的左前侧摆机架(73)、右前侧摆机架(71)、左后侧摆机架(74)、右后侧摆机架(72)和轴承座A(61)、轴承座B(62)、轴承座C(63)、轴承座D(64)、轴承座E(65)、轴承座F(66)、轴承座G(67)、轴承座H(68)连接，四个足单元呈两排并列分布在机架单元的两侧；所述机架单元(5)包括底板、连接杆、连接件；底板(511、512、513)包括后底板(511)、中底板(512)、前底板(513)三组底板组件，连接件分别安装在底板的下表面，连接杆安装在连接件的通孔中，使底板组件串联并与其共同构成整体的机架单元；每个足单元与机架单元的连接关系为：右前足单元(3)安装在机架单元的中底板(512)和前底板(513)上表面，利用轴承座A(61)和轴承座B(62)与中底板(512)固连，利用右前侧摆连接架(71)与前底板(513)固连，右后足单元(4)安装在机架单元的后底板(511)和中底板(512)上表面，利用轴承座C(63)和轴承座D(64)与机架单元的后底板(511)固连，利用右后侧摆连接架(72)与中底板(512)固连，左前足单元(1)安装在机架单元的中底板(512)和前底板(513)上表面，利用轴承座E(65)和轴承座F(66)与机架单元的中底板(512)固连，利用左前侧摆连接架(73)与前底板(513)固连，左后足单元(2)安装在机架单元的后底板(511)和中底板(512)上表面，利用轴承座G(67)和轴承座H(68)与机架单元的后底板(511)固连，利用左后侧摆连接架(74)与中底板(512)固连；四个足单元的结构原理均相同，分为驱动机构和传动机构，驱动机构包括髋关节、大腿关节、小腿关节的驱动部分，三个关节之间用连接销的方式串联连接，并保证各连接销的轴线处于同一条直线上，连接部位采用紧定螺钉限位，实现了髋关节对大腿关节和小腿关节的同时驱动，每个关节的驱动结构均相同，包括电机机架、交流永磁同步电机、电机减速器连接轴、谐波减速器、减速器输出轴，其中交流永磁同步电机与电机减速器连接轴安装在电机机架内部，电机减速器连接轴安装于电机的前端，另一端与谐波减速器连接，谐波减速器的配置方式为刚轮输入，柔轮输出，其输出端与减速器输出轴固连，将动力传递至传动机构。

2.根据所述权利要求1所述的连杆式多足机器人，其特征在于，传动机构包括大腿关节连杆、小腿关节连杆以及含有移动副的闭环多杆机构；所述闭环多杆机构包括导轨、滑块、导轨连接件A、导轨连接件B、末端连杆、膝关节连杆A和膝关节连杆B；大腿关节连杆和小腿关节连杆分别与大腿关节驱动结构中的减速器输出轴和小腿关节驱动结构中的减速器输出轴相连，大腿关节连杆另一端与闭环多杆机构中的导轨连接件A相连，实现大腿关节的运动，小腿关节连杆另一端与闭环多杆机构中的滑块连接，实现小腿关节的运动。

3.根据所述权利要求2所述的连杆式多足机器人，其特征在于，传动机构的连接关系为：大腿关节连杆的一端与大腿关节驱动结构中的减速器输出轴连接形成转动关节A，采用键连接传动方式，另一端与导轨连接件A连接形成转动关节B，导轨的两端分别与导轨连接件A和导轨连接件B相连，连接部位采用紧定螺钉限位，导轨上安装了滑块，滑块中间部位安装直线轴承，与导轨组成移动关节H，滑块上端与小腿关节连杆连接组成转动关节C，小腿关节连杆的另一端与小腿关节驱动结构中的减速器输出轴组成转动关节D，采用键连接传动方式，滑块下端与膝关节连杆A上端连接形成转动关节E，末端连杆中端开设槽孔，膝关节连杆B安装在槽孔内部并与膝关节连杆A连接，形成转动关节F，末端连杆与导轨连接件B连接组成转动关节G。

4.根据所述权利要求3所述的连杆式多足机器人，其特征在于，转动关节C、转动关节B、转动关节D、转动关节E、转动关节F、转动关节G装配方式均采用自润滑轴承，移动关节H采用直线轴承，为了保证轴承内部的连接轴连接的牢固性，连接轴的一侧开螺纹孔，用螺钉将轴承端盖与连接轴紧密配合。